李小勇 貴州大學(xué) 王代強 貴州民族大學(xué)

單片機教學(xué)屬于是一門應(yīng)用設(shè)計學(xué)科教學(xué)，具有一定應(yīng)用性以及適用性特點。因此在單片機教學(xué)過程中不但要強化理論知識講授，同時也需要加大學(xué)生的動手操作能力培養(yǎng)。在單片機教學(xué)中應(yīng)用教學(xué)輔助系統(tǒng)具有重要應(yīng)用，能夠為廣大教師和學(xué)生在單片機教學(xué)及學(xué)習(xí)中提供一定便利。

1 單片機傳統(tǒng)教學(xué)模式的不足

在當(dāng)前單片機課程教學(xué)過程中，不管是教學(xué)內(nèi)容設(shè)置，還是教學(xué)順序安排，采用的都是傳統(tǒng)的先基礎(chǔ)后應(yīng)用教學(xué)方式。也就是在教學(xué)中首先介紹單片機的硬件結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)和尋址方式，之后依照順序進(jìn)行匯編語言程序設(shè)計、系統(tǒng)總線擴展以及接口技術(shù)等內(nèi)容講解，教學(xué)的最后結(jié)合實例進(jìn)行單片機系統(tǒng)設(shè)計分析。在以上教學(xué)安排過程中，課堂理論講解時間明顯高于實驗教學(xué)時間。比如在單片機原理與應(yīng)用教學(xué)中，為32學(xué)時，但是在實驗教學(xué)中的學(xué)時通常只有4-6學(xué)時，并且是在“語言程序設(shè)計”教學(xué)之后才會進(jìn)行實驗教學(xué)。傳統(tǒng)教學(xué)方式在單片機教學(xué)中應(yīng)用存在的不足包括有：

首先，在課程教學(xué)一開始的原理性內(nèi)容比較多，相對來講教學(xué)內(nèi)容枯燥，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中難度比較大，直接對學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情以及積極性產(chǎn)生了影響。

其次，在教學(xué)過程中注重原理知識講解，對于應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計以及實驗教學(xué)存在一定的不足，對于學(xué)生的動手操作能力及實踐能力具有不良影響。

然后，因為受到課時的限制，導(dǎo)致在程序設(shè)計語言教學(xué)停步在匯編語言，經(jīng)常使用的C51在教學(xué)中更是沒有涉及。

最后，在實驗教學(xué)過程中，系統(tǒng)功能過于固定，同時學(xué)時比較少，不便于進(jìn)行具有一定復(fù)雜性的綜合性實驗設(shè)計，因此學(xué)生在單片機應(yīng)用中系統(tǒng)化存在不足。

因為受到以上問題的影響，導(dǎo)致在單片機教學(xué)中質(zhì)量的最大影響因素是學(xué)時不足，同時也受到實驗系統(tǒng)功能固定等因素的影響，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中不能夠進(jìn)行綜合性的設(shè)計性實驗，無法實現(xiàn)相關(guān)知識的融會貫通。

2 單片機教學(xué)輔助系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用

2.1 智能小車系統(tǒng)輔助教學(xué)應(yīng)用

單片機屬于是硬件范疇，在課堂教學(xué)過程中只是進(jìn)行單片機原理和結(jié)構(gòu)教學(xué)，實驗教學(xué)大部分也是驗證性實驗，需要學(xué)生自主開發(fā)研究的實驗項目比較少， 因此在課程教學(xué)結(jié)束之后，部分學(xué)生對于單片機的認(rèn)識依舊比較模糊，甚至部分學(xué)生都無法自主完成單片機相關(guān)畢業(yè)設(shè)計。智能小車系統(tǒng)則屬于是一種軟硬件結(jié)合體，之中組裝和應(yīng)用了多個傳感器，在傳感器采集光線、磁場以及圖像等參數(shù)的應(yīng)用下，能夠有效接收和應(yīng)用各種數(shù)據(jù)，不但需要應(yīng)用到單片機技術(shù)控制，同時也能夠在不同算法的應(yīng)用下有效調(diào)整各項參數(shù)，對于學(xué)生來講不但要對單片機原理和結(jié)構(gòu)有一定的了解，同時也必須要掌握一定的編程技巧，這樣才能夠確保智能小車行駛起來，在此過程中可以讓學(xué)生有效掌握單片機相關(guān)技術(shù)。

在單片機教學(xué)過程中，智能小車系統(tǒng)屬于是輔助系統(tǒng)，可以有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，同時也有助于深化學(xué)生對知識技能的認(rèn)識及掌握。在智能小車系統(tǒng)輔助單片機教學(xué)過程中，可以將其分成三個階段，其中分別是準(zhǔn)備階段、研發(fā)階段以及創(chuàng)新階段。在整個教學(xué)中是以教師為主導(dǎo)，以學(xué)生為主體，建立在智能小車載體上的教學(xué)模式。其中在不同階段的教學(xué)方式為：

首先，準(zhǔn)備階段。教師首先需要對學(xué)生基本情況進(jìn)行調(diào)查研究，在此基礎(chǔ)上制定相應(yīng)的教學(xué)計劃，完成智能小車系統(tǒng)編程。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，需要明確認(rèn)識學(xué)習(xí)目標(biāo)，并制定相應(yīng)的學(xué)習(xí)計劃，在教師的積極指導(dǎo)下認(rèn)識智能小車系統(tǒng)構(gòu)造以及運行模式。

其次，研發(fā)階段。在已經(jīng)初步編程的智能小車系統(tǒng)應(yīng)用下，學(xué)生可以在此上進(jìn)行學(xué)習(xí)、研究以及探索，以此有效掌握單片機編程方法和智能小車運行模式。在智能小車系統(tǒng)學(xué)習(xí)過程中，主要分成兩步：第一，學(xué)生 首先需要進(jìn)行驗證性實驗，比如編寫出一個程序，以能夠?qū)π≤囎筠D(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、上坡以及轉(zhuǎn)圈等實施控制，在此操作過程中，能夠讓學(xué)生對單片機編程方式有一定的熟悉，同時也能夠有效掌握智能小車系統(tǒng)的操作步驟以及性能；第二，積極進(jìn)行開發(fā)性實驗，基于驗證性實驗基礎(chǔ)，在智能小車系統(tǒng)運行中添加一些功能或提高性能，比如說轉(zhuǎn)圈，學(xué)生在之前進(jìn)行的一系列驗證性實驗基礎(chǔ)上，可以對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行更改，也就能夠有效提高小車轉(zhuǎn)圈速度，也可以顯著提高小車的運行穩(wěn)定性等。

最后，創(chuàng)新階段。這一階段學(xué)生已經(jīng)整體性對智能小車系統(tǒng)有深入認(rèn)識，并且也十分明確單片機控制思路，因此也就能夠?qū)崿F(xiàn)智能小車系統(tǒng)的改造設(shè)計，對其程序自行實施添加、刪除以及修改等，另外也可以自行安裝、拆除傳感器，對單片機信號采集過程實施合理的調(diào)整，以能夠有效掌握單片機研發(fā)技能。

2.2 構(gòu)建單片機技術(shù)教室節(jié)能控制系統(tǒng)

在學(xué)校這個場所，教室是學(xué)生主要活動的地方，它是師生之間進(jìn)行知識交流的地方，而且高校一般都是屬于開放式的時段管理模式，對于教室資源的使用與高中、初中是不一樣的，高校的治安維護、資源調(diào)配和衛(wèi)生都是由相應(yīng)的管理人員進(jìn)行管理。自由調(diào)配的開放式教室雖然給學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來了便利，但是因為缺乏科學(xué)的管理，造成教室能源浪費情況比較嚴(yán)重。在學(xué)生單片機技術(shù)教學(xué)過程中，積極引導(dǎo)學(xué)生在單片機技術(shù)的應(yīng)用下進(jìn)行教室節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計，則有助于顯著提高學(xué)生的單片機知識掌握水平，并提高學(xué)生的應(yīng)用能力。其中在教學(xué)過程中，使用單片機作為整個核心控制部分，來提高教室照明系統(tǒng)節(jié)能效率，以及資源的合理調(diào)配；另外，結(jié)合傳感器等設(shè)備，構(gòu)建智能化控制系統(tǒng)，從而有效提高整個系統(tǒng)的運行效率。在整個硬件設(shè)計中，根據(jù)教室對照明系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，建立一個有軟件支持的控制系統(tǒng)，軟件構(gòu)成部分，是由傳感器來采集各種信號，以及相關(guān)硬件設(shè)備對信息進(jìn)行處理和傳輸，從而實現(xiàn)自動化教室燈光資源的節(jié)能控制和調(diào)度。在具體設(shè)計過程中如下：

2.2.1 總體設(shè)計

由PIC18F458型號單片機構(gòu)成的教室燈光節(jié)能設(shè)計控制系統(tǒng)，這種單片機屬于整個檢測系統(tǒng)的核心控制器，然后結(jié)合通訊線RS-485實現(xiàn)對同層教室能源使用進(jìn)行控制，并與每個單元的1n進(jìn)行連接，之后利用CAN總線將綜合調(diào)配計算機中央系統(tǒng)與單元1n進(jìn)行連接，從而提高教室燈光資源的動態(tài)高校協(xié)調(diào)管理，具體實現(xiàn)邏輯可以見圖1所示。

圖1 自動化教室節(jié)能資源調(diào)配管理邏輯結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1進(jìn)行分析，該教室節(jié)能控制系統(tǒng)是由單片機PIC18F458作為核心控制系統(tǒng)，通過分析教室溫度和溫度、電氣運行情況、學(xué)生學(xué)習(xí)人數(shù)、光照強度等動態(tài)信息，之后在通過學(xué)校中央計算機King View6.5單元發(fā)布數(shù)字化、動態(tài)化、全中文、圖形化等教室信息到監(jiān)控界面，讓管理人員能夠看到，從而實現(xiàn)資源的調(diào)配，為學(xué)校教學(xué)提供人性化的資源服務(wù)。

2.2.2 教室燈光節(jié)能控制器的設(shè)計

根據(jù)圖1可以看出，在整個教室節(jié)能控制系統(tǒng)中，教室控制檢測單元是整個節(jié)能管理系統(tǒng)中的核心部分，它不僅可以監(jiān)控教室動態(tài)對象信息，對這些信息進(jìn)行運算分析和保存，而且也能實現(xiàn)對每個樓層單元的信息通信和共享等。

2.2.2.1 選型硬件設(shè)計

首先，單片機選型。建立智能化教室資源節(jié)能控制系統(tǒng)，需要保證自動化集成的可靠性、高度集成性，以及低消耗，便于操作人員維護特點。所以，本次分析的單片機是PIC系統(tǒng)，是由Microchip公司開發(fā)的PIC18F458單片機設(shè)備。該設(shè)備具有哈弗通信總線結(jié)構(gòu)、高速的運算分析、精簡指令（RISC）技術(shù)控制、驅(qū)動能力較強等優(yōu)勢，可以實現(xiàn)對儀表儀器進(jìn)行精度控制，也能使用在工業(yè)控制系統(tǒng)，以及家電器自動化控制領(lǐng)域中。

其次，紅外數(shù)據(jù)的采集與處理單元。在教室節(jié)能系統(tǒng)中是由紅外傳感器對整個教室內(nèi)部動態(tài)信息進(jìn)行收集，同結(jié)合處理子系統(tǒng)，采集人數(shù)信息，該系統(tǒng)的構(gòu)成成本比較低，電路結(jié)構(gòu)比較簡單。在教室節(jié)能控制系統(tǒng)中，人數(shù)信息收集是控制教室照明系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)，同時也是調(diào)整燈具運行狀態(tài)的依據(jù)，這樣才能實現(xiàn)合理調(diào)整教室內(nèi)部資源。

最后，采集單元光照信號選型。根據(jù)多種光敏電阻、光禍合器、光電管等電能探測器的功能進(jìn)行分析，與人視覺敏感區(qū)光波長比較接近的是光敏電阻產(chǎn)生的光譜峰值；如果外部環(huán)境的光照強度下降，這時光敏電阻響應(yīng)產(chǎn)生的時間也會增多，這就是在控制教室燈光強度時，隨著光照強度其輸出狀態(tài)也會進(jìn)行合理調(diào)整。所以，本次研究對于教室光照強度選擇光敏電阻進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和單元處理。

2.2.2.2 軟件編程設(shè)計

在整個教室節(jié)能控制系統(tǒng)中，主要是由信號采集、智能調(diào)節(jié)、信號傳輸?shù)裙δ苣K構(gòu)成，其中軟件編程模塊是必不可少的部分。上述有分析道，軟件部分主要是對紅外采集系統(tǒng)和光照強度電力采集系統(tǒng)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，從而實現(xiàn)電路的控制。

3 結(jié)束語

綜上所述，本文主要對單片機教學(xué)輔助系統(tǒng)設(shè)計展開分析，并結(jié)合具體的例子，以能夠積極引導(dǎo)學(xué)生迅速掌握單片機技術(shù)和原理，積極開發(fā)單片機系統(tǒng)。在教學(xué)過程中豐富的教學(xué)資源以及資源模塊化設(shè)計，均能夠進(jìn)行組合從而出現(xiàn)新的實驗內(nèi)容，因此教師要積極引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主設(shè)計，開發(fā)創(chuàng)新，加大單片機技術(shù)的應(yīng)用，同時也能夠顯著提高單片機教學(xué)質(zhì)量。